誘導溶解炉の制御装置
【課題】高い力率を保持しつつ電力制御が可能な誘導溶解炉の制御装置を提供する。
【解決手段】位相差検出回路２１ａは、出力電圧信号生成回路１９の出力電圧信号（ｇ）と出力電流信号生成回路２０の出力電流信号（ｈ）の位相差を検出する。位相差補正回路２１ａは、基準周波数保持回路２６から基準周波数信号（ｎ１）を受信すると、制御信号変換部３０は、基準周波数信号（ｎ１）を基にスイッチング素子の制御信号（ｃ）に生成する。位相差補正回路２１ｂは、位相差検出回路２１ａで検出される位相差が閾値となった場合、基準周波数信号（ｎ１）を補正し、基準周波数信号（ｎ２）を出力する。制御信号変換部３０は、補正されて基準周波数信号（ｎ１）からわずかに変化した基準周波数信号（ｎ２）を基にスイッチング素子の制御信号（ｃ）を生成する。
【解決手段】位相差検出回路２１ａは、出力電圧信号生成回路１９の出力電圧信号（ｇ）と出力電流信号生成回路２０の出力電流信号（ｈ）の位相差を検出する。位相差補正回路２１ａは、基準周波数保持回路２６から基準周波数信号（ｎ１）を受信すると、制御信号変換部３０は、基準周波数信号（ｎ１）を基にスイッチング素子の制御信号（ｃ）に生成する。位相差補正回路２１ｂは、位相差検出回路２１ａで検出される位相差が閾値となった場合、基準周波数信号（ｎ１）を補正し、基準周波数信号（ｎ２）を出力する。制御信号変換部３０は、補正されて基準周波数信号（ｎ１）からわずかに変化した基準周波数信号（ｎ２）を基にスイッチング素子の制御信号（ｃ）を生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
加熱コイルの熱によって炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の誘導溶解炉の制御装置には、スイッチング素子を使用した電圧型インバータが用いられており、このインバータを負荷共振周波数に同期した共振状態で動作させている。このような装置では、電圧型インバータの出力電圧と出力電流の位相差を検出してインバータ出力周波数を調整し、被溶解材の状態により負荷共振周波数が変化した場合にも共振状態を保持できるようになっている。
【０００３】
例えば、上記スイッチング素子を使用した制御手法としては、次の手法が知られている。インバータの出力電流と出力電圧との位相差γを検出し、検出した位相差γが位相差最下限γＢを超えたと判別した場合、すなわち負荷共振周波数が調整困難となる状態に近づいた場合、Ｖ／ｆコンバータを作動させ、インバータの出力周波数を一度最高周波数まで引き上げて調整する手法である（特許文献１、〔００２６〕，〔００２７〕，図１０，１１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−０７１４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、かかる従来の制御手法では、位相差γが位相差最下限γＢを超える毎に最高周波数まで引き上げる制御をするため、一時的に共振状態、すなわち力率が最も高い状態から離れてしまう。したがって、高い力率を保持して被溶解材を安定的に加熱・溶解することが困難であった。
【０００６】
以上の事情に鑑みて、本発明は、高い力率を保持しつつ電力制御が可能な誘導溶解炉の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１発明の誘導溶解炉の制御装置は、加熱コイルの熱によって炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置であって、前記加熱コイルに供給する高周波電力を生成する高周波電力生成部と、前記高周波電力の電圧と電流の位相差を検出する位相差検出部と、前記位相差検出部により検出された前記位相差に応じて前記高周波電力を生成するように前記高周波電力生成部の制御信号を生成する制御信号生成部とを備え、前記制御信号生成部は、前記高周波電力生成部に対して予め設定された起動周波数から前記位相差が小さくなるように前記制御信号を変化させると共に、前記位相差が予め設定された閾値となった場合には前記位相差を一定値だけ大きくする制御信号を生成することを特徴とする。
【０００８】
かかる第１発明の誘導溶解の制御装置によれば、高周波電力生成部が生成する高周波電力を加熱コイルに供給するので、加熱コイルにジュール熱が発生し、被溶解材を加熱・溶解することができる。
【０００９】
制御信号生成部は、高周波電力生成部を制御するための制御信号を生成するが、その際に位相差検出部が検出した位相差に応じた高周波電力を生成する。このため、位相差の変化により制御信号を調整することができる。
【００１０】
ここで、高周波電力の電圧と電流の位相差がゼロであるとき、力率は最大の１となる。そして、制御信号生成部は、力率が１に近い状態となるように制御信号を生成する。
【００１１】
制御装置の起動時には、制御信号生成部は、予め設定された起動周波数から位相差が小さくなるように、すなわち力率が１に近づくように制御信号を生成する。
【００１２】
また、位相差が予め設定された閾値となった場合、すなわち力率が低下して高周波電力の制御が不安定領域に移行するような場合には、制御信号生成部は、力率を１からできる限り離れないように、位相差を一定値だけ大きくする制御信号を生成する。これは、位相差が閾値となった場合に、再度、起動周波数から開始する方法とは異なり、力率が大きく低下することがない。
【００１３】
したがって、第１発明の誘導溶解の制御装置では、高い力率を保持しながら被溶解材を加熱・溶解することができる。
【００１４】
第２発明の誘導溶解炉の制御装置は、第１発明に記載の誘導溶解炉の制御装置において、前記高周波電力生成部は、交流電源を直流電力に変換する順変換器と、第１および第２スイッチング素子を用いてブリッジ回路を構成することにより前記直流電力を前記高周波電力に変換する逆変換器とを備え、前記逆変換器は、前記高周波電力生成部の制御信号により第１および第２スイッチング素子を交互に動作させることで、前記直流電力を前記高周波電力に変換することを特徴とする。
【００１５】
かかる第２発明の誘導溶解炉の制御装置によれば、高周波電力生成部は、大きく順変換器と、逆変換器で構成される。順変換器は、交流電源（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）を、直流電力に変換する。
【００１６】
次に、逆変換器は、加熱コイルに供給する電力を生成するために、順変換器で生成された直流電力を再度、交流電力に変換する。ここで、逆変換器には第１および第２のスイッチング素子があり、ブリッジ回路を構成している。
【００１７】
ブリッジ回路は、制御信号を与えてこれらスイッチング素子を交互に動作させると、回路を流れる直流電流の経路が順次切換わるので、加熱コイルに供給する高周波電力を生成することができる。
【００１８】
したがって、第２発明の誘導溶解炉の制御装置では、加熱コイルに供給される高周波電力の生成を簡易な構成で実現し、高い力率を保持しながら被溶解材を加熱・溶解することができる。
【００１９】
第３発明の誘導溶解炉の制御装置は、第１または第２発明に記載の誘導溶解炉の制御装置において、前記制御信号生成部は、モノマルチ回路を備え、前記位相差が予め設定された閾値となった場合に、該モノマルチ回路が一定時間出力する内部信号により該位相差を一定値だけ大きくする制御信号を生成することを特徴とする。
【００２０】
かかる第３発明の誘導溶解炉の制御装置によれば、位相差検出部により検出された位相差が予め設定された閾値となった場合に、発振器であるモノマルチ回路が一定時間内部信号を出力する。
【００２１】
このとき、制御信号生成部は、モノマルチ回路が出力した内部信号をトリガとして、その位相差を一定値だけ大きくする制御信号を生成する。
【００２２】
したがって、第３発明の誘導溶解炉の制御装置では、位相差が閾値となった場合、一定時間に限り、一定値だけ位相差を大きくするため動作し、あとは高い力率を保持しながら被溶解材を加熱・溶解させることが可能となる。
【００２３】
第４発明は、第１乃至第３発明の何れか１に記載の誘導溶解炉の制御装置において、前記高周波電力生成部は、前記高周波電力の電圧を検出する交流電圧検出部と、前記高周波電力の電流を検出する交流電流検出部とをさらに備え、前記位相差検出部は、前記交流電圧検出部により検出された電圧の各立ち上がりのエッジ幅をＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を介して生成された出力電圧信号と、前記交流電流検出部により検出された前記高周波電力の電流の立ち上がりおよび立ち下りのエッジ幅をＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を介して生成された出力電流信号との位相差を検出することを特徴とする。
【００２４】
かかる第４発明の誘導溶解炉の制御装置によれば、位相差検出部は、交流電圧検出部により検出された高周波電力の電圧から次のようにして出力電流信号を生成する。
【００２５】
出力電圧信号は、交流電圧検出部により検出された高周波電力の電圧そのものではなく、電圧の各立ち上がりのエッジ幅をＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を介して生成された信号である。
【００２６】
リセット・セット・フリップ・フロップ回路は、最初に入力された電圧の立ち上がりエッジと、次に入力された電圧の立ち上がりエッジを記憶し、両エッジ幅をＯＮ信号とするパルスを出力する。このため、簡易な回路で出力電圧信号を生成することができる。
【００２７】
また、位相差検出部は、交流電流検出部により検出された高周波電力の電流から次のようにして出力電流信号を生成する。
【００２８】
出力電流信号は、交流電流検出部により検出された高周波電力の電流そのものではなく、電流の立ち上がりおよび立ち下りのエッジ幅をＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を介して生成された信号である。
【００２９】
この場合も、リセット・セット・フリップ・フロップ回路は、入力された電流の立ち上がりエッジおよび立ち下りエッジを記憶し、両エッジ幅をＯＮ信号とするパルスを出力する。このため、簡易な回路で出力電流信号を生成することができる。
【００３０】
したがって、第４発明の誘導溶解炉の制御装置では、位相差検出部が、上記処理で出力された出力電圧信号と出力電流信号の位相差を検出するため、簡易な構成で位相差を確実に検出し、高い力率を保持しながら被溶解材を加熱・溶解させることが可能となる。
【００３１】
第５発明は、第１乃至第４発明の何れか１に記載の誘導溶解炉の制御装置において、前記第１および第２スイッチング素子は共にＩＧＢＴ素子であり、前記制御信号生成部は、前記高周波電力生成部に対して予め設定された起動周波数から前記位相差が小さくなるように前記ＩＧＢＴ素子の動作周波数を低下させる制御信号を生成すると共に、該位相差が前記閾値となった場合には、該位相差を一定値だけ大きくするため前記ＩＧＢＴ素子の動作周波数を一定値だけ上昇させる制御信号を生成することを特徴とする。
【００３２】
かかる第５発明の誘導溶解炉の制御装置によれば、第１および第２スイッチング素子は共にＩＧＢＴ素子であるので、制御装置の起動時に、制御信号生成部は、予め設定された起動周波数から位相差が小さくなるように、すなわち力率が１に近づくようにＩＧＢＴ素子の動作周波数を低下させる制御信号を生成する。
【００３３】
しかし、制御信号生成部は、位相差検出部により検出される位相差が閾値となった場合、この位相差を一定値だけ大きくする。このとき、制御信号生成部は、ＩＧＢＴ素子の動作周波数を上昇させる制御信号を生成する。
【００３４】
したがって、第５発明の誘導溶解炉の制御装置では、、逆変換器にＩＧＢＴ素子を用いた場合にも、動作周波数の制御が困難になることを防止し、高い力率を保持しながら被溶解材を加熱・溶解させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】誘導溶解炉とその制御装置の構成を示す全体構成図。
【図２】制御装置中の制御回路の内部構成を示す構成図。
【図３】図２の出力電圧信号生成回路の内容を示す説明図。
【図４】図２の出力電流信号生成回路の内容を示す説明図。
【図５】（ａ）図２の位相差検出回路の内容を示す説明図と、（ｂ）位相差補正回路の内容を示す説明図。
【図６】（ａ）通常の遅れ力率の場合の位相差補正回路の動作を示す説明図と、（ｂ）遅れ力率が不足した場合の位相差補正回路の動作を示す説明図。
【図７】インバータ動作周波数の位相差補正制御の例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図１を参照して、本実施形態の誘導溶解炉の制御装置について説明する。
【００３７】
誘導溶解炉とは、炉内に収納された被溶解材を加熱コイルに発生するジュール熱により溶解させるものである。また、装置全体は、電源１と、受電ユニット２と、電力変換装置４と、誘導溶解炉１５と、コントローラ１８とで構成される。以下、各構成の詳細を説明する。
【００３８】
電源１は、定格の交流電源（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）であって、受電ユニット２に接続されている。
【００３９】
受電ユニット２は、誘導溶解炉への電源電通・停止と故障発生時の電源遮断を行う。その内部には、パワーヒューズ２ａと、遮断器２ｂと、変換装置用変圧器３を備えている。
【００４０】
パワーヒューズ２ａは、短絡事故時に電流を遮断する。また、遮断器２ｂは、電源の通電と停止に伴う開閉動作をする。
【００４１】
変換装置用変圧器３は、電力変換装置４が所定の電圧を出力できるように、電力変換装置４への入力電圧を調整する。変換装置用変圧器３の一次側には三相商用電源が入力される。二次側には一次側に対して３０°位相が進んだ電圧が出力され、三次側は一次側に対して同位相の電圧が出力される。
【００４２】
電力変換装置４は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源から任意の高周波電力を生成するための装置であり、変換装置用変圧器３に接続されている。電力変換装置４は、その内部に、順変換器ユニット４ａと、逆変換器ユニット４ｂと、高周波整合ユニット４ｃと、制御回路１１を備えている。
【００４３】
なお、電力変換装置４は、本発明の制御装置に相当する。また、順変換器ユニット４ａ、逆変換器ユニット４ｂ、高周波整合ユニット４ｃは、本発明の高周波電力生成部を構成する。
【００４４】
順変換器ユニット４ａは、交流を直流に変換する装置である。その内部には、交流／直流変換器を構成するダイオード式順変換器（以下、順変換器と略す）５ａ、５ｂと、この出力電圧リプルを平滑する直流リアクトル６を備えている。
【００４５】
逆変換器ユニット４ｂは、直流を交流に変換する装置である。その内部には、直流／交流変換器であるＩＧＢＴ式逆変換器（以下、逆変換器と略す）１０ａ、１０ｂを備えている。以下、逆変換機１０ａ、１０ｂをまとめてインバータ１０ということがある。
【００４６】
ＩＧＢＴとは、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒの略称であり、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのことである。また、逆変換器１０ａ、１０ｂは、それぞれ本発明の第１、第２スイッチング素子に相当する。
【００４７】
図１に示す通り、逆変換機１０ａ、１０ｂと、後述する高周波コンデンサ１２ａ、１２ｂはハーフ・ブリッジ回路を構成しており、逆変換機１０ａ、１０ｂを交互にＯＮ／ＯＦＦすることにより、高周波電圧を発生させている。
【００４８】
さらに、逆変換器ユニット４ｂは、その内部に、順変換器５ａ、５ｂの出力リプルと逆変換器１０ａ、１０ｂの動作に伴う電圧変動を平滑する直流コンデンサ７と、直流電圧を検出して直流電圧（ａ）を出力する直流電圧検出器８と、直流電流を検出して直流電流（ｂ）を出力する直流電流検出器９を備えている。
【００４９】
直流電圧（ａ）、直流電流（ｂ）は、直流電力を算出するために用いられるので、両信号は共に制御回路１１に入力される。なお、制御回路１１の詳細については後述する。
【００５０】
高周波整合ユニット４ｃは、その内部に、力率の調整に用いられる力率調整用高周波コンデンサ（以下、高周波コンデンサと略す）１２ａ、１２ｂを備えている。高周波コンデンサ１２ａ、１２ｂは、誘導溶解炉１５が低力率であるため、負荷力率を改善する。また、誘導溶解炉１５内の加熱コイル１６から負荷共振周波数を生成する。
【００５１】
なお、一般的に高周波コンデンサ１２ａ、１２ｂは同容量のものが使用されるが、容量は相違していても動作は可能である。
【００５２】
さらに、高周波整合ユニット４ｃは、その内部に、逆変換器１０ａ、１０ｂから出力され加熱コイル１６へ流れる通電電流（ｄ）を検出する通電電流検出器１３と、加熱コイル１６に印加される負荷電圧（ｅ）を検出する負荷電圧検出器１４を備えている。なお、通電電流検出器１３は本発明の交流電流検出部に、負荷電圧検出器１４は本発明の交流電圧検出部にそれぞれ相当する。
【００５３】
通電電流（ｄ）は、後述する電流一定制御ＡＣＲに用いられ、この制御により、逆変換器１０ａ、１０ｂを過電流から保護する。また、負荷電圧（ｅ）は、後述する電圧一定制御ＡＶＲに用いられ、この制御により、高周波コンデンサ１２ａ、１２ｂを過電圧から保護する。
【００５４】
また、通電電流（ｄ）および負荷電圧（ｅ）は、電力変換装置４内部の制御回路１１に入力され、逆変換器１０ａ、１０ｂの制御信号、すなわちＩＧＢＴゲート信号（ｃ）を生成するために用いられる。
【００５５】
誘導溶解炉１５は、被溶解材１７を加熱・溶解する装置である。誘導溶解炉１５は、加熱コイル１６を備えており、被溶解材１７は炉内に収納される。誘導溶解炉１５は、高周波電力が加熱コイル１６に供給されることにより、炉内の被溶解材１７に渦電流を発生させる。そして、この渦電流と被溶解材１７がもつ固有の内部抵抗とによるジュール熱によって被溶解材１７を加熱・溶解する。
【００５６】
コントローラ１８は、コントローラ制御信号（ｆ）により装置全体の運転・停止や被溶解材１７への電力供給調整を行う。また、装置構成機器の破損・故障を防止するための保護も行う。
【００５７】
次に、図２〜５を参照して制御回路１１の構成について説明する。
【００５８】
まず、図２を参照して制御装置中の制御回路１１の内部構成について説明する。
【００５９】
図２の制御回路１１は、第１〜第３系統の回路で構成されている。
【００６０】
第１系統の回路は、主にＩＧＢＴゲート信号（ｃ）を生成するために用いられる基準周波数を生成する回路であって、電圧一定制御回路２２と、電流一定制御回路２３と、電力一定制御回路２４と、遅れ優先回路２５と、基準周波数保持回路２６とで構成される。
【００６１】
第２系統の回路は、主にＩＧＢＴゲート信号（ｃ）を生成するために用いられる位相差を検出する回路であって、出力電圧信号生成回路１９、出力電流信号生成回路２０、位相差検出回路２１ａとで構成される。
【００６２】
第３系統の回路は、主に基準周波数と位相差の情報を基にＩＧＢＴゲート信号（ｃ）を生成する回路であって、位相差補正回路２１ｂ等で構成される制御信号生成部３０の部分である。
【００６３】
まず、第１系統の回路について説明する。
【００６４】
電圧一定制御回路（ＡＶＲ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）２２は、高周波コンデンサ１２ａ、１２ｂが過電圧の場合に、インバータ１０の動作周波数を制御する回路である。
【００６５】
負荷電圧（ｅ）は、誘導溶解炉１５の加熱コイル１６にかかる電圧であり、加熱コイル１６に供給される高周波電力の電圧成分である（図１参照）。電圧基準であるＶｒｅｆに対して、負荷電圧（ｅ）を減算した信号を電圧一定制御回路２２に入力し、さらにその出力信号を後述する遅れ優先回路２５に入力する。
【００６６】
電流一定制御回路（ＡＣＲ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）２３は逆変換器１０ａ、１０ｂが過電流の場合、インバータ１０の動作周波数を制御する回路である。
【００６７】
通電電流（ｄ）は、加熱コイル１６に供給される高周波電力の電流成分である（図１参照）。電流基準であるＩｒｅｆに対して、通電電流（ｄ）を減算した信号を電流一定制御回路２３に入力し、さらにその出力信号を後述する遅れ優先回路２５に入力する。
【００６８】
電力一定制御回路（ＡＰＲ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）２４は、出力電力が一定となるようにインバータ１０の動作周波数を制御する回路である。
【００６９】
電力基準Ｐｒｅｆに対して、直流電圧（ａ）と直流電流（ｂ）との積を減算した信号を電力一定制御回路２４に入力し、さらにその出力信号を後述する遅れ優先回路２５に入力する。
【００７０】
遅れ優先回路２５は、電圧一定制御回路２２、電流一定制御回路２３および電力一定制御回路２４の出力信号を常時検出し、最も基準に対し遅れている信号を選択して周波数基準Ｆｒｅｆに対して加減する回路である。この回路によりインバータ１０の動作周波数制御の基準となるインバータ周波数基準信号（ｎ１）が生成される。
【００７１】
基準周波数保持回路２６は、インバータ１０をインバータ周波数基準信号（ｎ１）に基づいた基準周波数に保持するための回路である。逆変換器１０ａ、１０ｂは、この回路の出力信号に基づく動作周波数で動作することになる。
【００７２】
次に、第２系統の回路について説明する。
【００７３】
出力電圧信号生成回路１９、出力電流信号生成回路２０は、共に位相差の検出に用いられる信号を生成する回路である。出力電圧信号生成回路１９は、負荷電圧（ｅ）から後述する出力電圧信号（ｇ）を生成し、この信号を位相差検出回路２１ａへ出力する。
【００７４】
出力電流信号生成回路２０は、通電電流（ｄ）から後述する出力電流信号（ｈ）を生成し、位相差検出回路２１ａへ出力する。出力電圧信号生成回路１９、出力電流信号生成回路２０の処理の内容についてはそれぞれ図３，４で説明する。
【００７５】
位相差検出回路２１ａは、出力電圧信号（ｇ）と出力電流信号（ｈ）との位相差を検出する回路であり、検出した位相差から力率を求めることも可能である。なお、位相差検出回路２１ａは、本発明の位相差検出部に相当する。位相差検出回路２１ａの処理の詳細については図５（ａ）にて説明する。
【００７６】
次に、第３系統の回路について説明する。
【００７７】
制御信号生成部３０は、位相差補正回路２１ｂと、電圧制御発振回路２７と、ＡＮＤゲート２８と、リセット・セット・フリップ・フロップ回路２９とで構成され、後述するインバータ周波数基準信号（ｎ１）、または（ｎ２）を基にＩＧＢＴゲート信号（ｃ）を生成する。なお、制御信号生成部３０は、本発明の制御信号生成部に相当する。
【００７８】
位相差補正回路２１ｂは、所定の位相遅れとなった場合に位相差を補正する信号を出力し、インバータ基準周波数を補正する回路である。位相差補正回路２１ｂの処理の詳細については図５（ｂ）にて説明する。
【００７９】
電圧制御発振回路２７は、印加された電圧に応じて動作周波数を変更可能な発振器である。電圧制御発振回路２７は、確定したインバータ周波数基準信号を基にインバータ１０の動作周波数を設定し、逆変換器１０ａ、１０ｂの制御するための信号として、極性検出信号、ＲＥＡＤ信号およびＲＥＳＥＴ信号を出力する。
【００８０】
最後に、極性検出信号とＲＥＡＤ信号のＡＮＤゲート２８による演算の出力信号と、ＲＥＳＥＴ信号がリセット・セット・フリップ・フロップ回路２９に入力され、逆変換器１０ａ、１０ｂの制御信号であるＩＧＢＴゲート信号（ｃ）を出力される。
【００８１】
次に、図３を参照して出力電圧信号生成回路１９の内容について説明する。
【００８２】
出力電圧信号生成回路１９は、負荷電圧検出器１４で検出された負荷電圧（ｅ）であるゲート信号から電力変換装置４の出力電圧信号（ｇ）を以下のように生成する。
【００８３】
図３に示すように、出力電圧信号生成回路１９では、デッドタイム調整回路１９ａに逆変換器１０ａのゲート信号であるＵ相ゲート信号１が入力される。なお、Ｕ相ゲート信号１とは、ゲート信号の基準となる信号である。
【００８４】
Ｕ相ゲート信号１は、デッドタイム調整したゲート信号であるＸ相ゲート信号２を参照してデッドタイム調整される。そして、Ｕ相ゲート信号１以外の信号を除去してデットタイム調整したＵ相ゲート信号２を取り出す。
【００８５】
ここで、デッドタイムとは、逆変換器１０ａ、１０ｂが同時にＯＮしないように２つの動作の間に設定された休止期間をいい、デッドタイム調整を行うのは、デッドタイムを考慮してパルス幅をわずかに変更させる必要があるからである。
【００８６】
同様にして、デッドタイム調整回路１９ｂに逆変換器１０ｂのゲート信号であるＸ相ゲート信号１が入力される。なお、Ｘ相ゲート信号１とは、ゲート信号の基準となる信号である。
【００８７】
Ｘ相ゲート信号１は、デッドタイム調整した出力信号であるＵ相ゲート信号２を参照してデッドタイム調整される。そして、Ｘ相ゲート信号１以外の信号を除去してデッドタイム調整したＸ相ゲート信号２を取り出す。
【００８８】
次に、取り出されたＵ相ゲート信号２とＸ相ゲート信号２は、リセット・セット・フリップ・フロップ回路１９ｃに入力される。ここで、リセット・セット・フリップ・フロップ回路１９ｃは、Ｕ相ゲート信号２とＸ相ゲート信号２の各立ち上がりエッジを記憶する。
【００８９】
最終的に、出力電圧信号生成回路１９は、Ｕ相ゲート信号２とＸ相ゲート信号２の各立ち上がりにより規定される時間領域（エッジ幅）をＯＮ信号とするデューティー比５０％の出力電圧信号（ｇ）を生成する。
【００９０】
次に、図４を参照して出力電流信号生成回路２０の内容について説明する。
【００９１】
出力電流信号生成回路２０は、通電電流検出器１３により検出された通電電流（ｄ）を基に電力変換装置４の出力電流信号（ｈ）を以下のように生成する。
【００９２】
図４に示すように、出力電流信号生成回路２０では、通電電流検出器１３により検出された正弦波である通電電流（ｄ）の立ち上がりおよび立ち下りを２つの二値化回路２０ａ、２０ｂによりそれぞれ検出する。
【００９３】
二値化回路２０ａ、２０ｂにより通電電流（ｄ）は矩形波に変換され、これら矩形波はリセット・セット・フリップ・フロップ回路２０ｃに入力される。ここで、リセット・セット・フリップ・フロップ回路２０ｃは、通電電流（ｄ）の立ち上がりおよび立ち下がりエッジをそれぞれ記憶する。
【００９４】
最終的に、出力電流信号生成回路２０は、通電電流の（ｄ）の立ち上がりから立ち下りまでの時間領域（パルス幅）をＯＮ信号とするデューティー比５０％の出力電流信号（ｈ）を生成する。
【００９５】
次に、図５を参照して、位相差補正回路の信号処理内容について説明する。
【００９６】
図５（ａ）に示す位相差検出回路２１ａは、出力電圧信号生成回路１９により生成された出力電圧信号（ｇ）と、出力電流信号生成回路２０により生成された出力電流信号（ｈ）を入力し、位相差情報として位相進み信号（ｉ）と位相遅れ信号（ｊ）を出力する。位相差検出回路２１ａは複数のＮＡＮＤゲート３２で構成され、出力信号の一部は、次回の入力として使用するため帰還させている。
【００９７】
ここで、出力電圧信号（ｇ）と出力電流信号（ｈ）はともに矩形波であり、両波形のずれが位相差である。図５（ａ）は、位相進み、または位相遅れのいずれかの状態となったときに位相進み信号（ｉ）、または位相遅れ信号（ｊ）のパルスが変化する回路となっている（図６参照）。位相進み信号（ｉ）と位相遅れ信号（ｊ）のパルスが同時に変化する場合はない。
【００９８】
なお、位相差と力率の関係は位相差が０である場合、「力率１」の状態である。また、出力電圧信号（ｇ）に対し出力電流信号（ｈ）の位相が遅れている場合、「遅れ力率」の状態であり、出力電圧信号（ｇ）に対し出力電流信号（ｈ）の位相が進んでいる場合、「進み力率」の状態である。
【００９９】
図５（ｂ）に示す位相差補正回路２１ｂは、２つの入力信号（ｉ）、（ｊ）の位相差を判定し、位相差が所定の値より小さいとき位相差補正信号（ｍ）を発生させ、インバータ周波数基準信号（ｎ１）を（ｎ２）に変化させる。以下、位相差補正回路２１ｂの詳細を説明する。
【０１００】
まず、入力信号として位相差検出回路２１ａから出力される位相進み信号（ｉ）と位相遅れ信号（ｊ）を入力する。位相遅れ信号（ｊ）はそのまま、位相進み信号（ｉ）はＮＯＴゲート３３を介してＡＮＤゲート３４に入力される。第１のモノマルチ回路（ＭＭ）３５ａは、ＡＮＤゲート３４から常時出力される内部信号（ｋ１）を基に位相差レベルを設定し、位相差確認のための内部信号（ｋ２）を生成する。
【０１０１】
ここで、モノマルチ回路とは、単安定マルチバイブレータのことであり、外部からの制御信号により、１個のパルスを発生させる発振器である。
【０１０２】
次に、内部信号（ｋ１）と内部信号（ｋ２）がＮＡＮＤゲート３６に入力され、ＮＡＮＤ演算による内部信号（ｋ３）が出力される。内部信号（ｋ３）は所定の位相遅れ状態まではＬｏｗレベルが出力される（図６の説明で詳述する）。このとき、第２のモノマルチ回路（ＭＭ）３５ｂから出力される内部信号（ｋ４）もＬｏｗレベルであり、予めアナログスイッチ（ＡＳＷ）３７に設定されたアナログ電圧信号である位相差補正信号（ｍ）が加算器３８へ出力されることはない。
【０１０３】
したがって、最終的なインバータ周波数基準信号として（ｎ１）が出力される。ここで、インバータ周波数基準信号とは、逆変換器１０ａ、１０ｂの動作周波数の基準信号であり、通常の遅れ力率状態では、この信号を出力し続けることにより動作周波数を負荷共振周波数付近に保持する。
【０１０４】
一方で、力率が進み方向に変化して位相差が所定の値より不足したとき、内部信号（ｋ３）はＨｉｇｈレベルを含むパルス状となる。
【０１０５】
パルス状の内部信号（ｋ３）が出力されると、第２のモノマルチ回路３５ｂは内部信号（ｋ４）を一定時間、アナログスイッチ３７へ出力し、アナログスイッチ３７は予め設定された位相差補正信号（ｍ）を加算器３８へ出力する。なお、第２のモノマルチ回路３５ｂが本発明のモノマルチ回路に相当する。
【０１０６】
遅れ優先回路２５で生成されたインバータ周波数基準信号（ｎ１）は（図２参照）、加算器３８により位相差補正信号（ｍ）が加算されることで、（ｎ１）から（ｎ２）に変化する。この場合、最終的なインバータ周波数基準信号として（ｎ２）が出力されるが、（ｎ２）＝（ｎ１）＋（ｍ）の関係となっている。
【０１０７】
位相差補正信号（ｍ）はアナログの電圧値を設定した信号であり、例えば０．５（ｖ）のように設定されている。仮に、インバータ周波数基準信号（ｎ１）が３．０（ｖ）であれば、インバータ周波数基準信号（ｎ２）に相当する電圧信号は、３．５（ｖ）ということになる。
【０１０８】
その後、逆変換器１０ａ、１０ｂの動作周波数が変化し、所定の遅れ力率以上が確保された場合には、インバータ周波数基準信号は（ｎ２）から（ｎ１）に戻る。
【０１０９】
換言すれば、位相差補正回路２１ｂは、力率が進み方向に変化するのを回避するため、位相差補正信号（ｍ）を発生させてインバータ動作周波数を一定値だけ上昇させる。そして、その後徐々に負荷共振周波数に近づける。このことにより、常にインバータの動作周波数を遅れ力率の領域の負荷共振周波数付近に保持することができる。
【０１１０】
次に、図６を参照して位相差補正回路２１ｂの動作について説明する。
【０１１１】
図６（ａ）は、通常の遅れ力率の場合の位相差補正回路２１ｂの動作を示した図である。図６（ａ）では、出力電流信号（ｈ）が出力電圧信号（ｇ）に対して位相が遅れた状態にあるため、その位相差分だけ位相遅れ信号（ｊ）が変化している。
【０１１２】
ここで、位相遅れ信号（ｊ）に出力パルス（Ｈｉｇｈレベル）が発生する場合、もう一方の位相進み信号（ｉ）は常にＬｏｗレベルである。位相進み信号（ｉ）は信号が反転されてＨｉｇｈレベル信号となり、ＡＮＤゲート３４に入力されるため（図５（ｂ）参照）、位相遅れ信号（ｊ）の出力パルス発生時（Ｈｉｇｈレベル）に内部信号（ｋ１）はＨｉｇｈレベルとなる。
【０１１３】
内部信号（ｋ２）は、位相差がある場合に内部信号（ｋ１）を基に位相差レベルを設定する第１のモノマルチ回路３５ａから出力される信号である。
【０１１４】
次に、内部信号（ｋ１）のＨｉｇｈレベルパルス幅と内部信号（ｋ２）のＬｏｗレベルパルス幅を比較するが、位相差が所定値以下でない場合には、内部信号（ｋ３）はＬｏｗレベルの出力となる。
【０１１５】
この場合、上述の通り第２のモノマルチ回路３５ｂから出力される内部信号（ｋ４）もＬｏｗレベルとなり、アナログスイッチ３６は作動しない。すなわち、最終的にインバータ周波数基準信号として（ｎ１）が出力される。
【０１１６】
一方、図６（ｂ）は、遅れ力率が不足した場合の位相差補正回路２１ｂの動作を示した図である。図６（ｂ）では、図６（ａ）と比較し、出力電流信号（ｈ）と出力電圧信号（ｇ）の位相差が小さくなっている。
【０１１７】
この場合には、内部信号（ｋ１）のＨｉｇｈレベルパルス幅と内部信号（ｋ２）のＬｏｗレベルパルス幅を比較したとき、位相差が所定値以下と判定され、内部信号（ｋ３）はＨｉｇｈレベルの出力となる。したがって、第２のモノマルチ回路３５ｂから出力される内部信号（ｋ４）もＨｉｇｈレベルの出力となる。
【０１１８】
このとき、内部信号（ｋ４）によりアナログスイッチ３７が一定時間作動し、位相差補正信号（ｍ）を加算する信号が出力される。加算器により位相差補正信号（ｍ）がインバータ周波数基準信号（ｎ１）に加算されると、最終的にインバータ周波数基準信号として（ｎ２）が出力される。
【０１１９】
このように、遅れ力率が不足した場合、すなわち、位相差が所定値以下となった場合に、位相差補正回路２１ｂが動作し位相差を回復する。
【０１２０】
次に、図７を参照して制御信号生成回路３０による位相差補正制御の例について説明する。
【０１２１】
高周波コンデンサ１２ａ、１２ｂと加熱コイル１６とで構成される回路（図１参照）に交流電力が供給されるため、この回路は図７のような共振特性を示す。なお、横軸が周波数、縦軸が共振倍率となっている。
【０１２２】
共振曲線の中央部は共振周波数ｆ１であるが、共振周波数ｆ１は、被溶解材１７の状態により定格周波数を１００％として、５０〜１０５％の間で変化する。
【０１２３】
共振周波数ｆ１のときは、「力率１」の状態であり、出力電流信号（ｈ）と出力電圧信号（ｇ）は位相差がない状態である。また、共振曲線の右側は、出力電圧信号（ｇ）に対し出力電流信号（ｈ）の位相が遅れている「遅れ力率」の状態であり、通常はインバータの動作周波数ｆ２を遅れ力率の範囲（出力調整範囲）内で制御している。
【０１２４】
一方、共振曲線の左側は「進み力率」の状態であり、動作周波数の調整が困難な範囲である。また、本実施形態の周波数制御では、起動時は周波数が最大値である起動周波数ｆ２′に設定し、徐々に共振周波数ｆ１へ近づけて遅れ力率範囲内の動作周波数ｆ２で保持する（図７の点線矢印（１））。
【０１２５】
ここで、位相差は常に検出され、共振周波数ｆ１が変化した場合にも、動作周波数ｆ２はその変化に応じて共振周波数ｆ１を追従するように制御される。通常時は、共振周波数ｆ１の変化の幅が小さいため、補正がされていないインバータ周波数基準信号（ｎ１）による制御となる。
【０１２６】
しかし、共振周波数ｆ１の変化の幅が大きい場合には、動作周波数ｆ２の追従の際、位相差が最下限値（位相差の閾値）に到達する場合がある。この場合、位相差を一定値まで大きくして位相差を回復するため、位相差補正回路２１ｂを動作させ、インバータ周波数基準信号（ｎ２）による制御に切り替える。
【０１２７】
インバータ周波数基準信号（ｎ２）による制御では、一時的に動作周波数ｆ２を上昇させた後（図７の点線矢印（２））、徐々に共振周波数ｆ１へ近づけて再度、遅れ力率の範囲内で保持する（図７の点線矢印（３））。このとき、動作周波数ｆ２の一時的な上昇は、最大でも全出力調整範囲（遅れ力率の範囲）の２０％程度にとどめている。
【０１２８】
したがって、位相差調整のため変化する周波数の幅が狭く、急激な出力変動が発生することがなくなる。すなわち、常に高い力率を保持しながら誘導溶解炉１５の電力制御が可能となる。
【０１２９】
以上、説明してきたように本実施例の誘導溶解炉の制御装置は、逆変換器としてＩＧＢＴ素子を用いたものであるが、この代用としてサイリスタ素子を用いた装置であってもよい。なお、この場合は、進み力率の範囲が出力調整可能範囲となるため、位相差が最下限値に到達した場合、一時的に動作周波数ｆ２を降下させた後、徐々に共振周波数ｆ１へ近づける制御となる。
【符号の説明】
【０１３０】
１ 電源、
２ 受電ユニット、
２ａ パワーヒューズ、
２ｂ 遮断器、
３ 変換装置用変圧器、
４ 電力変換装置（制御装置）、
４ａ 順変換器ユニット（順変換器、高周波電力生成部）、
４ｂ 逆変換器ユニット（逆変換器、高周波電力生成部）、
４ｃ 高周波整合ユニット（高周波電力生成部）、
５ａ，５ｂ ダイオード式順変換器、
６ 直流リアクトル、
７ 直流コンデンサ、
８ 直流電圧検出器、
９ 直流電流検出器、
１０ インバータ、
１０ａ，１０ｂ ＩＧＢＴ式逆変換器（第１、第２スイッチング素子）、
１１ 制御回路、
１２ａ，１２ｂ 力率調整用高周波コンデンサ、
１３ 通電電流検出器（交流電流検出部）、
１４ 負荷電圧検出器（交流電圧検出部）、
１５ 誘導溶解炉、
１６ 加熱コイル、
１７ 被溶解材、
１８ コントローラ、
１９ 出力電圧信号生成回路、
１９ａ，１９ｂ デッドタイム調整回路、
１９ｃ、２０ｃ、２９ リセット・セット・フリップ・フロップ回路、
２０ 出力電流信号生成回路、
２０ａ，２０ｂ 二値化回路、
２１ａ 位相差検出回路（位相差検出部）、
２１ｂ 位相差補正回路、
２２ 電圧一定制御回路（ＡＶＲ）、
２３ 電流一定制御回路（ＡＣＲ）、
２４ 電力一定制御回路（ＡＰＲ）、
２５ 遅れ優先回路、
２６ 基準周波数保持回路、
２７ 電圧制御発振回路、
２８、３４ ＡＮＤゲート、
３０ 制御信号生成回路（制御信号生成部）、
３２、３６ ＮＡＮＤゲート、
３３ ＮＯＴゲート、
３５ａ、３５ｂ モノマルチ回路（ＭＭ）、
３７ アナログスイッチ（ＡＳＷ）、
３８ 加算器、
（ａ） 直流電圧、
（ｂ） 直流電流、
（ｃ） ＩＧＢＴゲート信号、
（ｄ） 通電電流、
（ｅ） 負荷電圧、
（ｆ） コントローラ制御信号、
（ｇ） 出力電圧信号、
（ｈ） 出力電流信号、
（ｉ） 位相進み信号、
（ｊ） 位相遅れ信号、
（ｋ１）〜（ｋ４） 内部信号、
（ｍ） 位相差補正信号、
（ｎ１），（ｎ２） インバータ周波数基準信号。
【技術分野】
【０００１】
加熱コイルの熱によって炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の誘導溶解炉の制御装置には、スイッチング素子を使用した電圧型インバータが用いられており、このインバータを負荷共振周波数に同期した共振状態で動作させている。このような装置では、電圧型インバータの出力電圧と出力電流の位相差を検出してインバータ出力周波数を調整し、被溶解材の状態により負荷共振周波数が変化した場合にも共振状態を保持できるようになっている。
【０００３】
例えば、上記スイッチング素子を使用した制御手法としては、次の手法が知られている。インバータの出力電流と出力電圧との位相差γを検出し、検出した位相差γが位相差最下限γＢを超えたと判別した場合、すなわち負荷共振周波数が調整困難となる状態に近づいた場合、Ｖ／ｆコンバータを作動させ、インバータの出力周波数を一度最高周波数まで引き上げて調整する手法である（特許文献１、〔００２６〕，〔００２７〕，図１０，１１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−０７１４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、かかる従来の制御手法では、位相差γが位相差最下限γＢを超える毎に最高周波数まで引き上げる制御をするため、一時的に共振状態、すなわち力率が最も高い状態から離れてしまう。したがって、高い力率を保持して被溶解材を安定的に加熱・溶解することが困難であった。
【０００６】
以上の事情に鑑みて、本発明は、高い力率を保持しつつ電力制御が可能な誘導溶解炉の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１発明の誘導溶解炉の制御装置は、加熱コイルの熱によって炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置であって、前記加熱コイルに供給する高周波電力を生成する高周波電力生成部と、前記高周波電力の電圧と電流の位相差を検出する位相差検出部と、前記位相差検出部により検出された前記位相差に応じて前記高周波電力を生成するように前記高周波電力生成部の制御信号を生成する制御信号生成部とを備え、前記制御信号生成部は、前記高周波電力生成部に対して予め設定された起動周波数から前記位相差が小さくなるように前記制御信号を変化させると共に、前記位相差が予め設定された閾値となった場合には前記位相差を一定値だけ大きくする制御信号を生成することを特徴とする。
【０００８】
かかる第１発明の誘導溶解の制御装置によれば、高周波電力生成部が生成する高周波電力を加熱コイルに供給するので、加熱コイルにジュール熱が発生し、被溶解材を加熱・溶解することができる。
【０００９】
制御信号生成部は、高周波電力生成部を制御するための制御信号を生成するが、その際に位相差検出部が検出した位相差に応じた高周波電力を生成する。このため、位相差の変化により制御信号を調整することができる。
【００１０】
ここで、高周波電力の電圧と電流の位相差がゼロであるとき、力率は最大の１となる。そして、制御信号生成部は、力率が１に近い状態となるように制御信号を生成する。
【００１１】
制御装置の起動時には、制御信号生成部は、予め設定された起動周波数から位相差が小さくなるように、すなわち力率が１に近づくように制御信号を生成する。
【００１２】
また、位相差が予め設定された閾値となった場合、すなわち力率が低下して高周波電力の制御が不安定領域に移行するような場合には、制御信号生成部は、力率を１からできる限り離れないように、位相差を一定値だけ大きくする制御信号を生成する。これは、位相差が閾値となった場合に、再度、起動周波数から開始する方法とは異なり、力率が大きく低下することがない。
【００１３】
したがって、第１発明の誘導溶解の制御装置では、高い力率を保持しながら被溶解材を加熱・溶解することができる。
【００１４】
第２発明の誘導溶解炉の制御装置は、第１発明に記載の誘導溶解炉の制御装置において、前記高周波電力生成部は、交流電源を直流電力に変換する順変換器と、第１および第２スイッチング素子を用いてブリッジ回路を構成することにより前記直流電力を前記高周波電力に変換する逆変換器とを備え、前記逆変換器は、前記高周波電力生成部の制御信号により第１および第２スイッチング素子を交互に動作させることで、前記直流電力を前記高周波電力に変換することを特徴とする。
【００１５】
かかる第２発明の誘導溶解炉の制御装置によれば、高周波電力生成部は、大きく順変換器と、逆変換器で構成される。順変換器は、交流電源（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）を、直流電力に変換する。
【００１６】
次に、逆変換器は、加熱コイルに供給する電力を生成するために、順変換器で生成された直流電力を再度、交流電力に変換する。ここで、逆変換器には第１および第２のスイッチング素子があり、ブリッジ回路を構成している。
【００１７】
ブリッジ回路は、制御信号を与えてこれらスイッチング素子を交互に動作させると、回路を流れる直流電流の経路が順次切換わるので、加熱コイルに供給する高周波電力を生成することができる。
【００１８】
したがって、第２発明の誘導溶解炉の制御装置では、加熱コイルに供給される高周波電力の生成を簡易な構成で実現し、高い力率を保持しながら被溶解材を加熱・溶解することができる。
【００１９】
第３発明の誘導溶解炉の制御装置は、第１または第２発明に記載の誘導溶解炉の制御装置において、前記制御信号生成部は、モノマルチ回路を備え、前記位相差が予め設定された閾値となった場合に、該モノマルチ回路が一定時間出力する内部信号により該位相差を一定値だけ大きくする制御信号を生成することを特徴とする。
【００２０】
かかる第３発明の誘導溶解炉の制御装置によれば、位相差検出部により検出された位相差が予め設定された閾値となった場合に、発振器であるモノマルチ回路が一定時間内部信号を出力する。
【００２１】
このとき、制御信号生成部は、モノマルチ回路が出力した内部信号をトリガとして、その位相差を一定値だけ大きくする制御信号を生成する。
【００２２】
したがって、第３発明の誘導溶解炉の制御装置では、位相差が閾値となった場合、一定時間に限り、一定値だけ位相差を大きくするため動作し、あとは高い力率を保持しながら被溶解材を加熱・溶解させることが可能となる。
【００２３】
第４発明は、第１乃至第３発明の何れか１に記載の誘導溶解炉の制御装置において、前記高周波電力生成部は、前記高周波電力の電圧を検出する交流電圧検出部と、前記高周波電力の電流を検出する交流電流検出部とをさらに備え、前記位相差検出部は、前記交流電圧検出部により検出された電圧の各立ち上がりのエッジ幅をＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を介して生成された出力電圧信号と、前記交流電流検出部により検出された前記高周波電力の電流の立ち上がりおよび立ち下りのエッジ幅をＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を介して生成された出力電流信号との位相差を検出することを特徴とする。
【００２４】
かかる第４発明の誘導溶解炉の制御装置によれば、位相差検出部は、交流電圧検出部により検出された高周波電力の電圧から次のようにして出力電流信号を生成する。
【００２５】
出力電圧信号は、交流電圧検出部により検出された高周波電力の電圧そのものではなく、電圧の各立ち上がりのエッジ幅をＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を介して生成された信号である。
【００２６】
リセット・セット・フリップ・フロップ回路は、最初に入力された電圧の立ち上がりエッジと、次に入力された電圧の立ち上がりエッジを記憶し、両エッジ幅をＯＮ信号とするパルスを出力する。このため、簡易な回路で出力電圧信号を生成することができる。
【００２７】
また、位相差検出部は、交流電流検出部により検出された高周波電力の電流から次のようにして出力電流信号を生成する。
【００２８】
出力電流信号は、交流電流検出部により検出された高周波電力の電流そのものではなく、電流の立ち上がりおよび立ち下りのエッジ幅をＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を介して生成された信号である。
【００２９】
この場合も、リセット・セット・フリップ・フロップ回路は、入力された電流の立ち上がりエッジおよび立ち下りエッジを記憶し、両エッジ幅をＯＮ信号とするパルスを出力する。このため、簡易な回路で出力電流信号を生成することができる。
【００３０】
したがって、第４発明の誘導溶解炉の制御装置では、位相差検出部が、上記処理で出力された出力電圧信号と出力電流信号の位相差を検出するため、簡易な構成で位相差を確実に検出し、高い力率を保持しながら被溶解材を加熱・溶解させることが可能となる。
【００３１】
第５発明は、第１乃至第４発明の何れか１に記載の誘導溶解炉の制御装置において、前記第１および第２スイッチング素子は共にＩＧＢＴ素子であり、前記制御信号生成部は、前記高周波電力生成部に対して予め設定された起動周波数から前記位相差が小さくなるように前記ＩＧＢＴ素子の動作周波数を低下させる制御信号を生成すると共に、該位相差が前記閾値となった場合には、該位相差を一定値だけ大きくするため前記ＩＧＢＴ素子の動作周波数を一定値だけ上昇させる制御信号を生成することを特徴とする。
【００３２】
かかる第５発明の誘導溶解炉の制御装置によれば、第１および第２スイッチング素子は共にＩＧＢＴ素子であるので、制御装置の起動時に、制御信号生成部は、予め設定された起動周波数から位相差が小さくなるように、すなわち力率が１に近づくようにＩＧＢＴ素子の動作周波数を低下させる制御信号を生成する。
【００３３】
しかし、制御信号生成部は、位相差検出部により検出される位相差が閾値となった場合、この位相差を一定値だけ大きくする。このとき、制御信号生成部は、ＩＧＢＴ素子の動作周波数を上昇させる制御信号を生成する。
【００３４】
したがって、第５発明の誘導溶解炉の制御装置では、、逆変換器にＩＧＢＴ素子を用いた場合にも、動作周波数の制御が困難になることを防止し、高い力率を保持しながら被溶解材を加熱・溶解させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】誘導溶解炉とその制御装置の構成を示す全体構成図。
【図２】制御装置中の制御回路の内部構成を示す構成図。
【図３】図２の出力電圧信号生成回路の内容を示す説明図。
【図４】図２の出力電流信号生成回路の内容を示す説明図。
【図５】（ａ）図２の位相差検出回路の内容を示す説明図と、（ｂ）位相差補正回路の内容を示す説明図。
【図６】（ａ）通常の遅れ力率の場合の位相差補正回路の動作を示す説明図と、（ｂ）遅れ力率が不足した場合の位相差補正回路の動作を示す説明図。
【図７】インバータ動作周波数の位相差補正制御の例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図１を参照して、本実施形態の誘導溶解炉の制御装置について説明する。
【００３７】
誘導溶解炉とは、炉内に収納された被溶解材を加熱コイルに発生するジュール熱により溶解させるものである。また、装置全体は、電源１と、受電ユニット２と、電力変換装置４と、誘導溶解炉１５と、コントローラ１８とで構成される。以下、各構成の詳細を説明する。
【００３８】
電源１は、定格の交流電源（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）であって、受電ユニット２に接続されている。
【００３９】
受電ユニット２は、誘導溶解炉への電源電通・停止と故障発生時の電源遮断を行う。その内部には、パワーヒューズ２ａと、遮断器２ｂと、変換装置用変圧器３を備えている。
【００４０】
パワーヒューズ２ａは、短絡事故時に電流を遮断する。また、遮断器２ｂは、電源の通電と停止に伴う開閉動作をする。
【００４１】
変換装置用変圧器３は、電力変換装置４が所定の電圧を出力できるように、電力変換装置４への入力電圧を調整する。変換装置用変圧器３の一次側には三相商用電源が入力される。二次側には一次側に対して３０°位相が進んだ電圧が出力され、三次側は一次側に対して同位相の電圧が出力される。
【００４２】
電力変換装置４は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源から任意の高周波電力を生成するための装置であり、変換装置用変圧器３に接続されている。電力変換装置４は、その内部に、順変換器ユニット４ａと、逆変換器ユニット４ｂと、高周波整合ユニット４ｃと、制御回路１１を備えている。
【００４３】
なお、電力変換装置４は、本発明の制御装置に相当する。また、順変換器ユニット４ａ、逆変換器ユニット４ｂ、高周波整合ユニット４ｃは、本発明の高周波電力生成部を構成する。
【００４４】
順変換器ユニット４ａは、交流を直流に変換する装置である。その内部には、交流／直流変換器を構成するダイオード式順変換器（以下、順変換器と略す）５ａ、５ｂと、この出力電圧リプルを平滑する直流リアクトル６を備えている。
【００４５】
逆変換器ユニット４ｂは、直流を交流に変換する装置である。その内部には、直流／交流変換器であるＩＧＢＴ式逆変換器（以下、逆変換器と略す）１０ａ、１０ｂを備えている。以下、逆変換機１０ａ、１０ｂをまとめてインバータ１０ということがある。
【００４６】
ＩＧＢＴとは、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒの略称であり、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのことである。また、逆変換器１０ａ、１０ｂは、それぞれ本発明の第１、第２スイッチング素子に相当する。
【００４７】
図１に示す通り、逆変換機１０ａ、１０ｂと、後述する高周波コンデンサ１２ａ、１２ｂはハーフ・ブリッジ回路を構成しており、逆変換機１０ａ、１０ｂを交互にＯＮ／ＯＦＦすることにより、高周波電圧を発生させている。
【００４８】
さらに、逆変換器ユニット４ｂは、その内部に、順変換器５ａ、５ｂの出力リプルと逆変換器１０ａ、１０ｂの動作に伴う電圧変動を平滑する直流コンデンサ７と、直流電圧を検出して直流電圧（ａ）を出力する直流電圧検出器８と、直流電流を検出して直流電流（ｂ）を出力する直流電流検出器９を備えている。
【００４９】
直流電圧（ａ）、直流電流（ｂ）は、直流電力を算出するために用いられるので、両信号は共に制御回路１１に入力される。なお、制御回路１１の詳細については後述する。
【００５０】
高周波整合ユニット４ｃは、その内部に、力率の調整に用いられる力率調整用高周波コンデンサ（以下、高周波コンデンサと略す）１２ａ、１２ｂを備えている。高周波コンデンサ１２ａ、１２ｂは、誘導溶解炉１５が低力率であるため、負荷力率を改善する。また、誘導溶解炉１５内の加熱コイル１６から負荷共振周波数を生成する。
【００５１】
なお、一般的に高周波コンデンサ１２ａ、１２ｂは同容量のものが使用されるが、容量は相違していても動作は可能である。
【００５２】
さらに、高周波整合ユニット４ｃは、その内部に、逆変換器１０ａ、１０ｂから出力され加熱コイル１６へ流れる通電電流（ｄ）を検出する通電電流検出器１３と、加熱コイル１６に印加される負荷電圧（ｅ）を検出する負荷電圧検出器１４を備えている。なお、通電電流検出器１３は本発明の交流電流検出部に、負荷電圧検出器１４は本発明の交流電圧検出部にそれぞれ相当する。
【００５３】
通電電流（ｄ）は、後述する電流一定制御ＡＣＲに用いられ、この制御により、逆変換器１０ａ、１０ｂを過電流から保護する。また、負荷電圧（ｅ）は、後述する電圧一定制御ＡＶＲに用いられ、この制御により、高周波コンデンサ１２ａ、１２ｂを過電圧から保護する。
【００５４】
また、通電電流（ｄ）および負荷電圧（ｅ）は、電力変換装置４内部の制御回路１１に入力され、逆変換器１０ａ、１０ｂの制御信号、すなわちＩＧＢＴゲート信号（ｃ）を生成するために用いられる。
【００５５】
誘導溶解炉１５は、被溶解材１７を加熱・溶解する装置である。誘導溶解炉１５は、加熱コイル１６を備えており、被溶解材１７は炉内に収納される。誘導溶解炉１５は、高周波電力が加熱コイル１６に供給されることにより、炉内の被溶解材１７に渦電流を発生させる。そして、この渦電流と被溶解材１７がもつ固有の内部抵抗とによるジュール熱によって被溶解材１７を加熱・溶解する。
【００５６】
コントローラ１８は、コントローラ制御信号（ｆ）により装置全体の運転・停止や被溶解材１７への電力供給調整を行う。また、装置構成機器の破損・故障を防止するための保護も行う。
【００５７】
次に、図２〜５を参照して制御回路１１の構成について説明する。
【００５８】
まず、図２を参照して制御装置中の制御回路１１の内部構成について説明する。
【００５９】
図２の制御回路１１は、第１〜第３系統の回路で構成されている。
【００６０】
第１系統の回路は、主にＩＧＢＴゲート信号（ｃ）を生成するために用いられる基準周波数を生成する回路であって、電圧一定制御回路２２と、電流一定制御回路２３と、電力一定制御回路２４と、遅れ優先回路２５と、基準周波数保持回路２６とで構成される。
【００６１】
第２系統の回路は、主にＩＧＢＴゲート信号（ｃ）を生成するために用いられる位相差を検出する回路であって、出力電圧信号生成回路１９、出力電流信号生成回路２０、位相差検出回路２１ａとで構成される。
【００６２】
第３系統の回路は、主に基準周波数と位相差の情報を基にＩＧＢＴゲート信号（ｃ）を生成する回路であって、位相差補正回路２１ｂ等で構成される制御信号生成部３０の部分である。
【００６３】
まず、第１系統の回路について説明する。
【００６４】
電圧一定制御回路（ＡＶＲ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）２２は、高周波コンデンサ１２ａ、１２ｂが過電圧の場合に、インバータ１０の動作周波数を制御する回路である。
【００６５】
負荷電圧（ｅ）は、誘導溶解炉１５の加熱コイル１６にかかる電圧であり、加熱コイル１６に供給される高周波電力の電圧成分である（図１参照）。電圧基準であるＶｒｅｆに対して、負荷電圧（ｅ）を減算した信号を電圧一定制御回路２２に入力し、さらにその出力信号を後述する遅れ優先回路２５に入力する。
【００６６】
電流一定制御回路（ＡＣＲ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）２３は逆変換器１０ａ、１０ｂが過電流の場合、インバータ１０の動作周波数を制御する回路である。
【００６７】
通電電流（ｄ）は、加熱コイル１６に供給される高周波電力の電流成分である（図１参照）。電流基準であるＩｒｅｆに対して、通電電流（ｄ）を減算した信号を電流一定制御回路２３に入力し、さらにその出力信号を後述する遅れ優先回路２５に入力する。
【００６８】
電力一定制御回路（ＡＰＲ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）２４は、出力電力が一定となるようにインバータ１０の動作周波数を制御する回路である。
【００６９】
電力基準Ｐｒｅｆに対して、直流電圧（ａ）と直流電流（ｂ）との積を減算した信号を電力一定制御回路２４に入力し、さらにその出力信号を後述する遅れ優先回路２５に入力する。
【００７０】
遅れ優先回路２５は、電圧一定制御回路２２、電流一定制御回路２３および電力一定制御回路２４の出力信号を常時検出し、最も基準に対し遅れている信号を選択して周波数基準Ｆｒｅｆに対して加減する回路である。この回路によりインバータ１０の動作周波数制御の基準となるインバータ周波数基準信号（ｎ１）が生成される。
【００７１】
基準周波数保持回路２６は、インバータ１０をインバータ周波数基準信号（ｎ１）に基づいた基準周波数に保持するための回路である。逆変換器１０ａ、１０ｂは、この回路の出力信号に基づく動作周波数で動作することになる。
【００７２】
次に、第２系統の回路について説明する。
【００７３】
出力電圧信号生成回路１９、出力電流信号生成回路２０は、共に位相差の検出に用いられる信号を生成する回路である。出力電圧信号生成回路１９は、負荷電圧（ｅ）から後述する出力電圧信号（ｇ）を生成し、この信号を位相差検出回路２１ａへ出力する。
【００７４】
出力電流信号生成回路２０は、通電電流（ｄ）から後述する出力電流信号（ｈ）を生成し、位相差検出回路２１ａへ出力する。出力電圧信号生成回路１９、出力電流信号生成回路２０の処理の内容についてはそれぞれ図３，４で説明する。
【００７５】
位相差検出回路２１ａは、出力電圧信号（ｇ）と出力電流信号（ｈ）との位相差を検出する回路であり、検出した位相差から力率を求めることも可能である。なお、位相差検出回路２１ａは、本発明の位相差検出部に相当する。位相差検出回路２１ａの処理の詳細については図５（ａ）にて説明する。
【００７６】
次に、第３系統の回路について説明する。
【００７７】
制御信号生成部３０は、位相差補正回路２１ｂと、電圧制御発振回路２７と、ＡＮＤゲート２８と、リセット・セット・フリップ・フロップ回路２９とで構成され、後述するインバータ周波数基準信号（ｎ１）、または（ｎ２）を基にＩＧＢＴゲート信号（ｃ）を生成する。なお、制御信号生成部３０は、本発明の制御信号生成部に相当する。
【００７８】
位相差補正回路２１ｂは、所定の位相遅れとなった場合に位相差を補正する信号を出力し、インバータ基準周波数を補正する回路である。位相差補正回路２１ｂの処理の詳細については図５（ｂ）にて説明する。
【００７９】
電圧制御発振回路２７は、印加された電圧に応じて動作周波数を変更可能な発振器である。電圧制御発振回路２７は、確定したインバータ周波数基準信号を基にインバータ１０の動作周波数を設定し、逆変換器１０ａ、１０ｂの制御するための信号として、極性検出信号、ＲＥＡＤ信号およびＲＥＳＥＴ信号を出力する。
【００８０】
最後に、極性検出信号とＲＥＡＤ信号のＡＮＤゲート２８による演算の出力信号と、ＲＥＳＥＴ信号がリセット・セット・フリップ・フロップ回路２９に入力され、逆変換器１０ａ、１０ｂの制御信号であるＩＧＢＴゲート信号（ｃ）を出力される。
【００８１】
次に、図３を参照して出力電圧信号生成回路１９の内容について説明する。
【００８２】
出力電圧信号生成回路１９は、負荷電圧検出器１４で検出された負荷電圧（ｅ）であるゲート信号から電力変換装置４の出力電圧信号（ｇ）を以下のように生成する。
【００８３】
図３に示すように、出力電圧信号生成回路１９では、デッドタイム調整回路１９ａに逆変換器１０ａのゲート信号であるＵ相ゲート信号１が入力される。なお、Ｕ相ゲート信号１とは、ゲート信号の基準となる信号である。
【００８４】
Ｕ相ゲート信号１は、デッドタイム調整したゲート信号であるＸ相ゲート信号２を参照してデッドタイム調整される。そして、Ｕ相ゲート信号１以外の信号を除去してデットタイム調整したＵ相ゲート信号２を取り出す。
【００８５】
ここで、デッドタイムとは、逆変換器１０ａ、１０ｂが同時にＯＮしないように２つの動作の間に設定された休止期間をいい、デッドタイム調整を行うのは、デッドタイムを考慮してパルス幅をわずかに変更させる必要があるからである。
【００８６】
同様にして、デッドタイム調整回路１９ｂに逆変換器１０ｂのゲート信号であるＸ相ゲート信号１が入力される。なお、Ｘ相ゲート信号１とは、ゲート信号の基準となる信号である。
【００８７】
Ｘ相ゲート信号１は、デッドタイム調整した出力信号であるＵ相ゲート信号２を参照してデッドタイム調整される。そして、Ｘ相ゲート信号１以外の信号を除去してデッドタイム調整したＸ相ゲート信号２を取り出す。
【００８８】
次に、取り出されたＵ相ゲート信号２とＸ相ゲート信号２は、リセット・セット・フリップ・フロップ回路１９ｃに入力される。ここで、リセット・セット・フリップ・フロップ回路１９ｃは、Ｕ相ゲート信号２とＸ相ゲート信号２の各立ち上がりエッジを記憶する。
【００８９】
最終的に、出力電圧信号生成回路１９は、Ｕ相ゲート信号２とＸ相ゲート信号２の各立ち上がりにより規定される時間領域（エッジ幅）をＯＮ信号とするデューティー比５０％の出力電圧信号（ｇ）を生成する。
【００９０】
次に、図４を参照して出力電流信号生成回路２０の内容について説明する。
【００９１】
出力電流信号生成回路２０は、通電電流検出器１３により検出された通電電流（ｄ）を基に電力変換装置４の出力電流信号（ｈ）を以下のように生成する。
【００９２】
図４に示すように、出力電流信号生成回路２０では、通電電流検出器１３により検出された正弦波である通電電流（ｄ）の立ち上がりおよび立ち下りを２つの二値化回路２０ａ、２０ｂによりそれぞれ検出する。
【００９３】
二値化回路２０ａ、２０ｂにより通電電流（ｄ）は矩形波に変換され、これら矩形波はリセット・セット・フリップ・フロップ回路２０ｃに入力される。ここで、リセット・セット・フリップ・フロップ回路２０ｃは、通電電流（ｄ）の立ち上がりおよび立ち下がりエッジをそれぞれ記憶する。
【００９４】
最終的に、出力電流信号生成回路２０は、通電電流の（ｄ）の立ち上がりから立ち下りまでの時間領域（パルス幅）をＯＮ信号とするデューティー比５０％の出力電流信号（ｈ）を生成する。
【００９５】
次に、図５を参照して、位相差補正回路の信号処理内容について説明する。
【００９６】
図５（ａ）に示す位相差検出回路２１ａは、出力電圧信号生成回路１９により生成された出力電圧信号（ｇ）と、出力電流信号生成回路２０により生成された出力電流信号（ｈ）を入力し、位相差情報として位相進み信号（ｉ）と位相遅れ信号（ｊ）を出力する。位相差検出回路２１ａは複数のＮＡＮＤゲート３２で構成され、出力信号の一部は、次回の入力として使用するため帰還させている。
【００９７】
ここで、出力電圧信号（ｇ）と出力電流信号（ｈ）はともに矩形波であり、両波形のずれが位相差である。図５（ａ）は、位相進み、または位相遅れのいずれかの状態となったときに位相進み信号（ｉ）、または位相遅れ信号（ｊ）のパルスが変化する回路となっている（図６参照）。位相進み信号（ｉ）と位相遅れ信号（ｊ）のパルスが同時に変化する場合はない。
【００９８】
なお、位相差と力率の関係は位相差が０である場合、「力率１」の状態である。また、出力電圧信号（ｇ）に対し出力電流信号（ｈ）の位相が遅れている場合、「遅れ力率」の状態であり、出力電圧信号（ｇ）に対し出力電流信号（ｈ）の位相が進んでいる場合、「進み力率」の状態である。
【００９９】
図５（ｂ）に示す位相差補正回路２１ｂは、２つの入力信号（ｉ）、（ｊ）の位相差を判定し、位相差が所定の値より小さいとき位相差補正信号（ｍ）を発生させ、インバータ周波数基準信号（ｎ１）を（ｎ２）に変化させる。以下、位相差補正回路２１ｂの詳細を説明する。
【０１００】
まず、入力信号として位相差検出回路２１ａから出力される位相進み信号（ｉ）と位相遅れ信号（ｊ）を入力する。位相遅れ信号（ｊ）はそのまま、位相進み信号（ｉ）はＮＯＴゲート３３を介してＡＮＤゲート３４に入力される。第１のモノマルチ回路（ＭＭ）３５ａは、ＡＮＤゲート３４から常時出力される内部信号（ｋ１）を基に位相差レベルを設定し、位相差確認のための内部信号（ｋ２）を生成する。
【０１０１】
ここで、モノマルチ回路とは、単安定マルチバイブレータのことであり、外部からの制御信号により、１個のパルスを発生させる発振器である。
【０１０２】
次に、内部信号（ｋ１）と内部信号（ｋ２）がＮＡＮＤゲート３６に入力され、ＮＡＮＤ演算による内部信号（ｋ３）が出力される。内部信号（ｋ３）は所定の位相遅れ状態まではＬｏｗレベルが出力される（図６の説明で詳述する）。このとき、第２のモノマルチ回路（ＭＭ）３５ｂから出力される内部信号（ｋ４）もＬｏｗレベルであり、予めアナログスイッチ（ＡＳＷ）３７に設定されたアナログ電圧信号である位相差補正信号（ｍ）が加算器３８へ出力されることはない。
【０１０３】
したがって、最終的なインバータ周波数基準信号として（ｎ１）が出力される。ここで、インバータ周波数基準信号とは、逆変換器１０ａ、１０ｂの動作周波数の基準信号であり、通常の遅れ力率状態では、この信号を出力し続けることにより動作周波数を負荷共振周波数付近に保持する。
【０１０４】
一方で、力率が進み方向に変化して位相差が所定の値より不足したとき、内部信号（ｋ３）はＨｉｇｈレベルを含むパルス状となる。
【０１０５】
パルス状の内部信号（ｋ３）が出力されると、第２のモノマルチ回路３５ｂは内部信号（ｋ４）を一定時間、アナログスイッチ３７へ出力し、アナログスイッチ３７は予め設定された位相差補正信号（ｍ）を加算器３８へ出力する。なお、第２のモノマルチ回路３５ｂが本発明のモノマルチ回路に相当する。
【０１０６】
遅れ優先回路２５で生成されたインバータ周波数基準信号（ｎ１）は（図２参照）、加算器３８により位相差補正信号（ｍ）が加算されることで、（ｎ１）から（ｎ２）に変化する。この場合、最終的なインバータ周波数基準信号として（ｎ２）が出力されるが、（ｎ２）＝（ｎ１）＋（ｍ）の関係となっている。
【０１０７】
位相差補正信号（ｍ）はアナログの電圧値を設定した信号であり、例えば０．５（ｖ）のように設定されている。仮に、インバータ周波数基準信号（ｎ１）が３．０（ｖ）であれば、インバータ周波数基準信号（ｎ２）に相当する電圧信号は、３．５（ｖ）ということになる。
【０１０８】
その後、逆変換器１０ａ、１０ｂの動作周波数が変化し、所定の遅れ力率以上が確保された場合には、インバータ周波数基準信号は（ｎ２）から（ｎ１）に戻る。
【０１０９】
換言すれば、位相差補正回路２１ｂは、力率が進み方向に変化するのを回避するため、位相差補正信号（ｍ）を発生させてインバータ動作周波数を一定値だけ上昇させる。そして、その後徐々に負荷共振周波数に近づける。このことにより、常にインバータの動作周波数を遅れ力率の領域の負荷共振周波数付近に保持することができる。
【０１１０】
次に、図６を参照して位相差補正回路２１ｂの動作について説明する。
【０１１１】
図６（ａ）は、通常の遅れ力率の場合の位相差補正回路２１ｂの動作を示した図である。図６（ａ）では、出力電流信号（ｈ）が出力電圧信号（ｇ）に対して位相が遅れた状態にあるため、その位相差分だけ位相遅れ信号（ｊ）が変化している。
【０１１２】
ここで、位相遅れ信号（ｊ）に出力パルス（Ｈｉｇｈレベル）が発生する場合、もう一方の位相進み信号（ｉ）は常にＬｏｗレベルである。位相進み信号（ｉ）は信号が反転されてＨｉｇｈレベル信号となり、ＡＮＤゲート３４に入力されるため（図５（ｂ）参照）、位相遅れ信号（ｊ）の出力パルス発生時（Ｈｉｇｈレベル）に内部信号（ｋ１）はＨｉｇｈレベルとなる。
【０１１３】
内部信号（ｋ２）は、位相差がある場合に内部信号（ｋ１）を基に位相差レベルを設定する第１のモノマルチ回路３５ａから出力される信号である。
【０１１４】
次に、内部信号（ｋ１）のＨｉｇｈレベルパルス幅と内部信号（ｋ２）のＬｏｗレベルパルス幅を比較するが、位相差が所定値以下でない場合には、内部信号（ｋ３）はＬｏｗレベルの出力となる。
【０１１５】
この場合、上述の通り第２のモノマルチ回路３５ｂから出力される内部信号（ｋ４）もＬｏｗレベルとなり、アナログスイッチ３６は作動しない。すなわち、最終的にインバータ周波数基準信号として（ｎ１）が出力される。
【０１１６】
一方、図６（ｂ）は、遅れ力率が不足した場合の位相差補正回路２１ｂの動作を示した図である。図６（ｂ）では、図６（ａ）と比較し、出力電流信号（ｈ）と出力電圧信号（ｇ）の位相差が小さくなっている。
【０１１７】
この場合には、内部信号（ｋ１）のＨｉｇｈレベルパルス幅と内部信号（ｋ２）のＬｏｗレベルパルス幅を比較したとき、位相差が所定値以下と判定され、内部信号（ｋ３）はＨｉｇｈレベルの出力となる。したがって、第２のモノマルチ回路３５ｂから出力される内部信号（ｋ４）もＨｉｇｈレベルの出力となる。
【０１１８】
このとき、内部信号（ｋ４）によりアナログスイッチ３７が一定時間作動し、位相差補正信号（ｍ）を加算する信号が出力される。加算器により位相差補正信号（ｍ）がインバータ周波数基準信号（ｎ１）に加算されると、最終的にインバータ周波数基準信号として（ｎ２）が出力される。
【０１１９】
このように、遅れ力率が不足した場合、すなわち、位相差が所定値以下となった場合に、位相差補正回路２１ｂが動作し位相差を回復する。
【０１２０】
次に、図７を参照して制御信号生成回路３０による位相差補正制御の例について説明する。
【０１２１】
高周波コンデンサ１２ａ、１２ｂと加熱コイル１６とで構成される回路（図１参照）に交流電力が供給されるため、この回路は図７のような共振特性を示す。なお、横軸が周波数、縦軸が共振倍率となっている。
【０１２２】
共振曲線の中央部は共振周波数ｆ１であるが、共振周波数ｆ１は、被溶解材１７の状態により定格周波数を１００％として、５０〜１０５％の間で変化する。
【０１２３】
共振周波数ｆ１のときは、「力率１」の状態であり、出力電流信号（ｈ）と出力電圧信号（ｇ）は位相差がない状態である。また、共振曲線の右側は、出力電圧信号（ｇ）に対し出力電流信号（ｈ）の位相が遅れている「遅れ力率」の状態であり、通常はインバータの動作周波数ｆ２を遅れ力率の範囲（出力調整範囲）内で制御している。
【０１２４】
一方、共振曲線の左側は「進み力率」の状態であり、動作周波数の調整が困難な範囲である。また、本実施形態の周波数制御では、起動時は周波数が最大値である起動周波数ｆ２′に設定し、徐々に共振周波数ｆ１へ近づけて遅れ力率範囲内の動作周波数ｆ２で保持する（図７の点線矢印（１））。
【０１２５】
ここで、位相差は常に検出され、共振周波数ｆ１が変化した場合にも、動作周波数ｆ２はその変化に応じて共振周波数ｆ１を追従するように制御される。通常時は、共振周波数ｆ１の変化の幅が小さいため、補正がされていないインバータ周波数基準信号（ｎ１）による制御となる。
【０１２６】
しかし、共振周波数ｆ１の変化の幅が大きい場合には、動作周波数ｆ２の追従の際、位相差が最下限値（位相差の閾値）に到達する場合がある。この場合、位相差を一定値まで大きくして位相差を回復するため、位相差補正回路２１ｂを動作させ、インバータ周波数基準信号（ｎ２）による制御に切り替える。
【０１２７】
インバータ周波数基準信号（ｎ２）による制御では、一時的に動作周波数ｆ２を上昇させた後（図７の点線矢印（２））、徐々に共振周波数ｆ１へ近づけて再度、遅れ力率の範囲内で保持する（図７の点線矢印（３））。このとき、動作周波数ｆ２の一時的な上昇は、最大でも全出力調整範囲（遅れ力率の範囲）の２０％程度にとどめている。
【０１２８】
したがって、位相差調整のため変化する周波数の幅が狭く、急激な出力変動が発生することがなくなる。すなわち、常に高い力率を保持しながら誘導溶解炉１５の電力制御が可能となる。
【０１２９】
以上、説明してきたように本実施例の誘導溶解炉の制御装置は、逆変換器としてＩＧＢＴ素子を用いたものであるが、この代用としてサイリスタ素子を用いた装置であってもよい。なお、この場合は、進み力率の範囲が出力調整可能範囲となるため、位相差が最下限値に到達した場合、一時的に動作周波数ｆ２を降下させた後、徐々に共振周波数ｆ１へ近づける制御となる。
【符号の説明】
【０１３０】
１ 電源、
２ 受電ユニット、
２ａ パワーヒューズ、
２ｂ 遮断器、
３ 変換装置用変圧器、
４ 電力変換装置（制御装置）、
４ａ 順変換器ユニット（順変換器、高周波電力生成部）、
４ｂ 逆変換器ユニット（逆変換器、高周波電力生成部）、
４ｃ 高周波整合ユニット（高周波電力生成部）、
５ａ，５ｂ ダイオード式順変換器、
６ 直流リアクトル、
７ 直流コンデンサ、
８ 直流電圧検出器、
９ 直流電流検出器、
１０ インバータ、
１０ａ，１０ｂ ＩＧＢＴ式逆変換器（第１、第２スイッチング素子）、
１１ 制御回路、
１２ａ，１２ｂ 力率調整用高周波コンデンサ、
１３ 通電電流検出器（交流電流検出部）、
１４ 負荷電圧検出器（交流電圧検出部）、
１５ 誘導溶解炉、
１６ 加熱コイル、
１７ 被溶解材、
１８ コントローラ、
１９ 出力電圧信号生成回路、
１９ａ，１９ｂ デッドタイム調整回路、
１９ｃ、２０ｃ、２９ リセット・セット・フリップ・フロップ回路、
２０ 出力電流信号生成回路、
２０ａ，２０ｂ 二値化回路、
２１ａ 位相差検出回路（位相差検出部）、
２１ｂ 位相差補正回路、
２２ 電圧一定制御回路（ＡＶＲ）、
２３ 電流一定制御回路（ＡＣＲ）、
２４ 電力一定制御回路（ＡＰＲ）、
２５ 遅れ優先回路、
２６ 基準周波数保持回路、
２７ 電圧制御発振回路、
２８、３４ ＡＮＤゲート、
３０ 制御信号生成回路（制御信号生成部）、
３２、３６ ＮＡＮＤゲート、
３３ ＮＯＴゲート、
３５ａ、３５ｂ モノマルチ回路（ＭＭ）、
３７ アナログスイッチ（ＡＳＷ）、
３８ 加算器、
（ａ） 直流電圧、
（ｂ） 直流電流、
（ｃ） ＩＧＢＴゲート信号、
（ｄ） 通電電流、
（ｅ） 負荷電圧、
（ｆ） コントローラ制御信号、
（ｇ） 出力電圧信号、
（ｈ） 出力電流信号、
（ｉ） 位相進み信号、
（ｊ） 位相遅れ信号、
（ｋ１）〜（ｋ４） 内部信号、
（ｍ） 位相差補正信号、
（ｎ１），（ｎ２） インバータ周波数基準信号。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱コイルの熱によって炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置であって、
前記加熱コイルに供給する高周波電力を生成する高周波電力生成部と、
前記高周波電力の電圧と電流の位相差を検出する位相差検出部と、
前記位相差検出部により検出された前記位相差に応じて前記高周波電力を生成するように前記高周波電力生成部の制御信号を生成する制御信号生成部とを備え、
前記制御信号生成部は、前記高周波電力生成部に対して予め設定された起動周波数から前記位相差が小さくなるように前記制御信号を変化させると共に、該位相差が予め設定された閾値となった場合には、該位相差を一定値だけ大きくする制御信号を生成することを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の誘導溶解炉の制御装置において、
前記高周波電力生成部は、
交流電源を直流電力に変換する順変換器と、
第１および第２スイッチング素子を用いてブリッジ回路を構成することにより前記直流電力を前記高周波電力に変換する逆変換器とを備え、
前記逆変換器は、前記高周波電力生成部の制御信号により前記第１および第２スイッチング素子を交互に動作させることで、前記直流電力を前記高周波電力に変換することを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の誘導溶解炉の制御装置において、
前記制御信号生成部は、モノマルチ回路を備え、前記位相差が予め設定された閾値となった場合に、該モノマルチ回路が一定時間出力する内部信号により該位相差を一定値だけ大きくする制御信号を生成することを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の誘導溶解炉の制御装置において、
前記高周波電力生成部は、
前記高周波電力の電圧を検出する交流電圧検出部と、
前記高周波電力の電流を検出する交流電流検出部とをさらに備え、
前記位相差検出部は、
前記交流電圧検出部により検出された電圧の各立ち上がりのエッジ幅をＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を介して生成された出力電圧信号と、
前記交流電流検出部により検出された前記高周波電力の電流の立ち上がりおよび立ち下りのエッジ幅をＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を介して生成された出力電流信号との位相差を検出することを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の誘導溶解炉の制御装置において、
前記第１および第２スイッチング素子は共にＩＧＢＴ素子であり、
前記制御信号生成部は、前記高周波電力生成部に対して予め設定された起動周波数から前記位相差が小さくなるように前記ＩＧＢＴ素子の動作周波数を低下させる制御信号を生成すると共に、該位相差が予め設定された閾値となった場合には、該位相差を一定値だけ大きくするため前記ＩＧＢＴ素子の動作周波数を一定値だけ上昇させる制御信号を生成することを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。
【請求項１】
加熱コイルの熱によって炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置であって、
前記加熱コイルに供給する高周波電力を生成する高周波電力生成部と、
前記高周波電力の電圧と電流の位相差を検出する位相差検出部と、
前記位相差検出部により検出された前記位相差に応じて前記高周波電力を生成するように前記高周波電力生成部の制御信号を生成する制御信号生成部とを備え、
前記制御信号生成部は、前記高周波電力生成部に対して予め設定された起動周波数から前記位相差が小さくなるように前記制御信号を変化させると共に、該位相差が予め設定された閾値となった場合には、該位相差を一定値だけ大きくする制御信号を生成することを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の誘導溶解炉の制御装置において、
前記高周波電力生成部は、
交流電源を直流電力に変換する順変換器と、
第１および第２スイッチング素子を用いてブリッジ回路を構成することにより前記直流電力を前記高周波電力に変換する逆変換器とを備え、
前記逆変換器は、前記高周波電力生成部の制御信号により前記第１および第２スイッチング素子を交互に動作させることで、前記直流電力を前記高周波電力に変換することを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の誘導溶解炉の制御装置において、
前記制御信号生成部は、モノマルチ回路を備え、前記位相差が予め設定された閾値となった場合に、該モノマルチ回路が一定時間出力する内部信号により該位相差を一定値だけ大きくする制御信号を生成することを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の誘導溶解炉の制御装置において、
前記高周波電力生成部は、
前記高周波電力の電圧を検出する交流電圧検出部と、
前記高周波電力の電流を検出する交流電流検出部とをさらに備え、
前記位相差検出部は、
前記交流電圧検出部により検出された電圧の各立ち上がりのエッジ幅をＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を介して生成された出力電圧信号と、
前記交流電流検出部により検出された前記高周波電力の電流の立ち上がりおよび立ち下りのエッジ幅をＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を介して生成された出力電流信号との位相差を検出することを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の誘導溶解炉の制御装置において、
前記第１および第２スイッチング素子は共にＩＧＢＴ素子であり、
前記制御信号生成部は、前記高周波電力生成部に対して予め設定された起動周波数から前記位相差が小さくなるように前記ＩＧＢＴ素子の動作周波数を低下させる制御信号を生成すると共に、該位相差が予め設定された閾値となった場合には、該位相差を一定値だけ大きくするため前記ＩＧＢＴ素子の動作周波数を一定値だけ上昇させる制御信号を生成することを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−６９４２７（Ｐ２０１３−６９４２７Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０５２８１（Ｐ２０１１−２０５２８１）
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００２４２１２７）北芝電機株式会社 (53)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００２４２１２７）北芝電機株式会社 (53)
【Ｆターム（参考）】
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